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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Brennstoffeinspritzventil, insbesondere einen
Injektor für Brennstoffeinspritzanlagen von luftverdichtenden,
selbstzündenden Brennkraftmaschinen.
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Aus
der
DE 103 53 169
A1 ist ein Injektor zur Einspritzung von Kraftstoff in
Brennräume von Brennkraftmaschinen bekannt. Der Injektor
ist dabei als Piezoaktor gesteuerter Common-Rail-Injektor ausgestaltet.
Der Injektor weist in einem Injektorkörper angeordnete
Steuermittel auf, vornehmlich einen Piezoaktor, die über
einen Übersetzerkolben ein in einer Ventilplatte aufgenommenes
Steuerventil betätigen. Ferner ist ein Düsenkörper
vorgesehen, an dessen brennraumseitigen freien Ende ein Düsenaustritt ausgebildet
ist, wobei eine Düsennadel vorgesehen ist, die in einer
Längsausnehmung des Düsenkörpers axial
beweglich angeordnet ist. Eine Drosselscheibe, die einen Öffnungsanschlag
für die Düsennadel bildet, ist zwischen dem Düsenkörper
und dem Steuerventil angeordnet und schließt das rückwärtige
vom Düsenaustritt abgewandte Ende der Längsausnehmung
ab. Hierbei wirkt die Drosselscheibe mit der rückseitigen
vom Düsenaustritt abgewandten Stirnfläche der
Düsennadel zusammen, um den Öffnungshub der Düsennadel
zu begrenzen.
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Zwischen
der rückwärtigen Düsennadel-Stirnfläche
und der Drosselscheibe ist ein Steuerraum ausgebildet, der mit einem
der Kraftzuführung dienenden Druckanschluss in hydraulischer
Verbindung steht. Dabei ist im Injektorkörper ein zylindrischer
Haltekörper angeordnet, der den Übersetzerkolben
und die das Steuerventil enthaltende Ventilplatte aufnimmt. Aus
einem unter Hochdruck stehenden Ringraum kann über eine
Bohrung, die einen Bypass darstellt, Kraftstoff in einen Ventilraum
des Steuerventils strömen.
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Der
aus der
DE 103 53
169 A1 bekannte Injektor zur Einspritzung von Kraftstoff
hat den Nachteil, dass relativ große Kräfte zur
Betätigung des Steuerventils erforderlich sind. Dies betrifft
insbesondere den Fall eines Common-Rail-Injektors, bei dem der unter
Hochdruck stehende Kraftstoff im Ventilraum des Steuerventils das
Steuerventil gegen einen Niederdruck geschlossen hält.
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Offenbarung der Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil mit
den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass der Steuerventilkörper
mit einer reduzierten und insbesondere relativ geringen Kraft betätigt
werden kann. Speziell kann das Brennstoffeinspritzventil mit einem
Magnetaktor zur Betätigung des Steuerventilkörpers
ausgestattet sein oder die Anforderung an einen piezoelektrischen
Aktor oder dergleichen können verringert werden.
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Durch
die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen des im Anspruch 1 angegebenen
Brennstoffeinspritzventils möglich.
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In
vorteilhafter Weise ist eine Ventilfeder vorgesehen, die den Steuerventilkörper
beaufschlagt. Dabei kann die Ventilfeder entgegen der Kraft des Aktors
wirken, so dass die Betätigung des Ventilkörpers
zumindest im Wesentlichen entgegen der Ventilfeder erfolgt.
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Vorteilhaft
ist es, dass der Steuerventilkörper eine Stirnfläche
aufweist, an der der Steuerventilkörper von einem Niederdruck
des Brennstoffrücklaufs beaufschlagt ist, dass der Steuerventilkörper
an einem der Stirnfläche abgewandten Ende eine Steuerkante
für einen ersten Sitz aufweist, dass eine durch die Steuerkante
des Steuerventilkörpers bestimmte wirksame Fläche
des Steuerventilkörpers mit dem Niederdruck des Brennstoffrücklaufs
beaufschlagt ist, wobei die durch die Steuerkante bestimmte wirksame
Fläche zumindest annähernd gleich einer wirksamen
Fläche der Stirnfläche des Steuerventilkörpers
ist. Dadurch kann gezielt ein hydraulisches Kraftverhältnis
im Bereich des ersten Sitzes vorgegeben werden. Dies ermöglicht
beim Öffnen und Schließen des an dem ersten Sitz
gebildeten Dichtsitzes eine Betätigung mit relativ geringer
Aktorkraft.
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Dabei
ist es beispielsweise von Vorteil, dass die durch die Steuerkante
des Steuerventilkörpers bestimmte wirksame Fläche
gleich der wirksamen Fläche der Stirnfläche des
Steuerventilkörpers ist, um beim Sperren der Verbindung
des Ventilraums mit dem Brennstoffrücklauf einen hydraulischen
Kraftausgleich an dem ersten Sitz für den Steuerventilkörper
zu erreichen. In diesem Fall kann das Öffnen und Schließen
durch die Kraft des Aktors erfolgen, zu der gegebenenfalls eine
Federkraft einer Ventilfeder hinzukommt. Der Aktor kann dann beispielsweise
allein entgegen der Federkraft arbeiten.
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Vorteilhaft
ist es aber auch, dass die durch die Steuerkante des Steuerventilkörpers
bestimmte wirksame Fläche etwas größer
ist als die wirksame Fläche der Stirnfläche des
Steuerventilkörpers, um beim Sperren der Verbindung des
Ventilraums mit dem Brennstoffrücklauf eine hydraulische
Schließkraft an dem ersten Sitz zu erzeugen. Dadurch wird der
Steuerventilkörper bei geschlossenem Dichtsitz an dem ersten
Sitz hydraulisch in dem geschlossenen Zustand gehalten. Dies ermöglicht
eine Auslegung, bei der der Aktor zum Öffnen gegen die Schließkraft
arbeitet. Hierbei kann auch zusätzlich die Kraft einer
Ventilfeder berücksichtigt werden, so dass je nach Ausgestaltung
die Ventilfeder eine entlastende, überkompensierende oder
verstärkende Wirkung in Bezug auf die hydraulische Schließkraft hat.
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Des
weiteren ist es auch vorteilhaft, dass die durch die Steuerkante
des Steuerventilkörpers bestimmte wirksame Fläche
etwas kleiner ist als die wirksame Fläche der Stirnfläche
des Steuerventilkörpers, um beim Sperren der Verbindung
des Ventilraums mit dem Brennstoffrücklauf eine hydraulische Öffnungskraft
an dem ersten Sitz zu erzeugen. Dies ermöglicht eine Auslegung,
bei der der Aktor durch Aktorkraft den Steuerkörper im
geschlossenen Zustand an dem ersten Sitz hält. Hierbei
kann zu der Aktorkraft auch die Federkraft einer Ventilfeder addiert
werden.
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Somit
kann bei dem Steuerventilkörper durch unterschiedliche
Ausgestaltungen eine Anpassung an den jeweiligen Anwendungsfall
erfolgen, wobei zumindest im Wesentlichen ein annähernder
hydraulischer Kraftausgleich an dem ersten Sitz für den Steuerventilkörper
erreicht werden kann.
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Vorteilhaft
ist es, dass der Steuerventilkörper in einer Führungsbohrung
angeordnet ist, dass der Steuerventilkörper im Bereich
der Führungsbohrung zumindest eine Stufe aufweist, wobei
der Steuerventilkörper an der Stufe über den Bypasskanal
mit einem Hochdruck des Hochdruckzulaufs beaufschlagt ist, dass
der Steuerventilkörper eine Steuerstufe aufweist, die der
Stufe zugewandt ist, und dass an der Steuerstufe ein zweiter Sitz
vorgesehen ist, der zum Sperren der Verbindung des Ventilraums mit
dem Hochdruckzulauf über den Bypasskanal dient, und dass
eine durch den zweiten Sitz vorgegebene wirksame Fläche
des Steuerventilkörpers an der Steuerstufe zumindest annähernd
gleich einer wirksamen Fläche an der Stufe des Steuerventilkörpers
ist. Dadurch kann in vorteilhafter Weise ein annähernder hydraulischer
Ausgleich beim Schließen und Öffnen des zweiten
Sitzes erfolgen.
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Hierbei
ist es vorteilhaft, dass beispielsweise die durch den zweiten Sitz
vorgegebene wirksame Fläche des Steuerventilkörpers
an der Steuerstufe gleich ist einer wirksamen Fläche an
der Stufe des Steuerventilkörpers, um beim Sperren der
Verbindung des Ventilraums mit dem Hochdruckzulauf über den
Bypasskanal einen hydraulischen Kraftausgleich an dem zweiten Sitz
für den Steuerventilkörper zu erreichen. Hierdurch
kann mit einer relativ geringen Aktorkraft ein Öffnen und
Schließen des Dichtsitzes an dem zweiten Sitz erfolgen.
Dabei ist es auch möglich, dass entgegen einer Kraft einer
Ventilfeder eine Betätigung durch den Aktor erfolgt.
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Vorteilhaft
ist es allerdings auch, dass die durch den zweiten Sitz vorgegebene
wirksame Fläche des Steuerventilkörpers an der
Steuerstufe größer ist als die wirksame Fläche
an der Stufe des Steuerventilkörpers, um beim Sperren der
Verbindung des Ventilraums mit dem Hochdruckzulauf über den
Bypasskanal eine hydraulische Schließkraft an dem zweiten
Sitz für den Steuerventilkörper zu erreichen.
Dadurch kann der Steuerventilkörper in der geschlossenen
Stellung an dem zweiten Sitz durch die hydraulische Schließkraft
gehalten werden. Hierbei kann zusätzlich auch die Kraft
einer Ventilfeder wirken.
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Somit
sind je nach Anwendungsfall vorteilhafte Auslegungen auch im Bereich
des zweiten Sitzes möglich.
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Vorteilhaft
ist es, dass der Steuerventilkörper in einer Führungsbohrung
geführt ist, dass der Steuerventilkörper zwischen
der Stufe und der Steuerstufe eine ringförmige Ausnehmung
aufweist und dass der Bypasskanal in einen durch die ringförmige
Ausnehmung des Steuerventilkörpers und die Führungsbohrung
vorgegebenen Ringspalt mündet. Dabei ist es ferner vorteilhaft,
dass der Steuerventilkörper einen Führungsbolzen
aufweist, an dem der Steuerventilkörper in der Führungsbohrung
geführt ist, dass eine Stirnfläche des Steuerventilkörpers
an dem Führungsbolzen des Steuerventilkörpers
ausgebildet ist und dass eine wirksame Fläche der Stirnfläche
des Steuerventilkörpers durch einen Durchmesser des Führungsbolzens
bestimmt ist. Hierdurch kann das Steuerventil in einem Gehäuseteil
oder dergleichen des Brennstoffeinspritzventils ausgebildet werden, wobei
durch die Ausgestaltung des Steuerventilkörpers und gegebenenfalls
des Gehäuseteils eine Anpassung an den gewünschten
Anwendungsfall möglich ist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden
Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnungen mit Formeln
(1) und (2), in denen sich entsprechende Elemente mit übereinstimmenden
Bezugszeichen versehen sind, näher erläutert.
Es zeigt:
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1 ein
Brennstoffeinspritzventil in einer schematischen Darstellung entsprechend
einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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2 den
in 1 mit II bezeichneten Ausschnitt des
Brennstoffeinspritzventils des ersten Ausführungsbeispiels
in weiterem Detail;
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3 eine
auszugsweise Darstellung eines Steuerventils mit einem Steuerventilkörper
zur weiteren Erläuterung der Erfindung;
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4 eine
der 3 entsprechende, auszugsweise Darstellung des
Steuerventils mit dem Steuerventilkörper zur weiteren Erläuterung
der Erfindung und
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5 ein
Diagramm zur Veranschaulichung möglicher Stellkraftverläufe
zum Betätigen des Steuerventilkörpers des Steuerventils.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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1 zeigt
ein Brennstoffeinspritzventil 1 in einer schematischen
Darstellung entsprechend einem ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung. Das Brennstoffeinspritzventil 1 kann insbesondere
als Injektor für Brennstoffeinspritzanlagen von luftverdichtenden,
selbstzündenden Brennkraftmaschinen dienen. Ein bevorzugter Einsatz
des Brennstoffeinspritzventils 1 besteht für eine
Brennstoffeinspritzanlage mit einem Common-Rail 2, das
Dieselbrennstoff unter hohem Druck zu mehreren Brennstoffeinspritzventilen 1 führt.
Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil 1 eignet
sich jedoch auch für andere Anwendungsfälle.
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Das
Brennstoffeinspritzventil 1 weist einen Düsenkörper 3 auf,
in dem eine Düsennadel 4 angeordnet ist. Dabei
wirkt ein Ventilschließkörper 5 der Düsennadel 4 mit
einer Ventilsitzfläche 6 des Düsenkörpers 3 zu
einem Dichtsitz zusammen. Die Düsennadel 4 ist
in einem Brennstoffraum 7 angeordnet, in den über
einen Hochdruckzulauf 8 unter hohem Druck stehender Brennstoff
aus dem Common-Rail 2 einführbar ist. Im Betrieb
des Brennstoffeinspritzventils 1 befindet sich in dem Brennstoffraum 7 daher
unter hohem Druck stehender Brennstoff. In dem Brennstoffraum 7 ist
außerdem eine Steuerraumhülse 9 angeordnet,
in der abschnittsweise die Düsennadel 4 geführt
ist. Die Steuerraumhülse 9 stützt sich dabei
an ihrer Dichtkante 10 an einer Drosselplatte 11 ab.
Dadurch ist zwischen der Drosselplatte 11, der Steuerraumhülse 9 und
der Düsennadel 4 ein Steuerraum 12 eingeschlossen.
Der Steuerraum 12 ist über eine Zulaufdrossel 13 mit
dem Hochdruckzulauf 8 verbunden. Ferner ist der Steuerraum 12 über
eine Ablaufdrossel 14 mit einem Steuerventil 15 verbunden.
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In
einer ersten Schaltstellung 15A verbindet das Steuerventil
den Steuerraum 12 über die Ablaufdrossel 14 mit
dem Hochdruckzulauf 8. Gleichzeitig sperrt das Steuerventil 15 in
der ersten Schaltstellung 15A einen Brennstoffrücklauf 16 zu
einem Tank 17. Dadurch kann die Ablaufdrossel 14 über
einen Bypasskanal 21 in Gegenrichtung von unter hohem Druck stehenden
Brennstoff durchströmt werden, um einen schnellen Druckaufbau
im Steuerraum 12 über sowohl die Zulaufdrossel 13 als
auch die Ablaufdrossel 14 zu erzielen.
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In
einer zweiten Schaltstellung 15B des Schaltventils 15 ist
der Steuerraum 12 über die Ablaufdrossel 14 mit
dem Brennstoffrücklauf 16 verbunden. Ferner sperrt
das Steuerventil 15 in der zweiten Schaltstellung 15B die
Verbindung mit dem Hochdruckzulauf 8 über den
Bypasskanal 21. Dadurch kann Brennstoff aus dem Steuerraum 12 über
die Ablaufdrossel 14 zu dem Brennstoffrücklauf 16 strömen, wodurch
der Druck im Steuerraum 12 abfällt. Der Druckabfall
ist dabei über das Verhältnis der Drosselwirkung
der Ablaufdrossel 14 zu der Drosselwirkung der Zulaufdrossel 13 vorgebbar.
Durch den Abfall des Druckes im Steuerraum 12 kann eine
Betätigung der Düsennadel 4 erreicht
werden, wobei sich die Düsennadel 4 von der Ventilsitzfläche 6 abhebt,
so dass ein zwischen dem Ventilschließkörper 5 und
der Ventilsitzfläche 6 gebildeter Dichtsitz geöffnet
wird und Brennstoff über zumindest eine Düsenöffnung 18 abgespritzt
wird.
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Das
Steuerventil 15 ist über einen Magnetaktor 19 zwischen
den Schaltstellungen 15A und 15B umschaltbar.
Dabei kann zusätzlich eine Ventilfeder 20 auf
das Steuerventil 15 einwirken.
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In
diesem Ausführungsbeispiel ist das Steuerventil 15 als
Schaltventil ausgestaltet. Das Steuerventil 15 kann auch
gedrosselt ausgeführt sein.
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2 zeigt
den in 1 mit II bezeichneten Ausschnitt des
Brennstoffeinspritzventils 1 in weiterem Detail. In diesem Ausführungsbeispiel
wirkt der Magnetaktor 19 auf einen Anker 25 ein,
der mit einem Steuerventilkörper 26 verbunden
ist. Dabei weist der Steuerventilkörper 26 eine
Stirnfläche 27 auf. Der Anker 25 ist
in einem Niederdruckraum 28 angeordnet, der mit dem Brennstoffrücklauf 16 verbunden
ist. Durch die auf den Anker 25 wirkenden Druckkräfte des
Niederdrucks im Niederdruckraum 28 ist die Stirnfläche 27 des
Steuerventilkörpers 26 von dem Niederdruck des
Brennstoffrücklaufs beaufschlagt. Die Stirnfläche 27 ist
dabei an einem Führungsbolzen 29 des Steuerventilkörpers 26 ausgebildet,
wobei der Führungsbolzen 29 in einer Führungsbohrung 30 eines
Gehäuseteils 31 geführt ist.
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Die
Zulaufdrossel 13, die Ablaufdrossel 14 und der
Brennstoffrücklauf 16 sind in der Drosselplatte 11 ausgebildet.
Auf einer dem Steuerraum 12 abgewandten Seite der Drosselplatte 11 ist
ein Ventilraum 32 des Steuerventils 15 ausgestaltet,
in dem der Steuerventilkörper 26 teilweise angeordnet
ist. Dabei weist der Steuerventilkörper 26 eine
Steuerkante 33 an einem ersten Sitz 34 auf, die
im geschlossenen Zustand des ersten Sitzes 34 mit der Drosselplatte 11 zu
einem Dichtsitz zusammenwirkt.
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Ferner
weist der Steuerventilkörper 26 auf der der Drosselplatte 11 zugewandten
Seite eine Ausnehmung 35 innerhalb der Steuerkante 33 auf. Die
Ausnehmung 35 ist dem Brennstoffrücklauf 16 zugeordnet,
wobei sich bei einem geschlossenen ersten Sitz 34 innerhalb
der Ausnehmung 35 unter Niederdruck stehender Brennstoff
befindet. Somit wird bei geschlossenem ersten Sitz 34 der
Steuerventilkörper 26 innerhalb der Steuerkante 33 mit
Niederdruck beaufschlagt. Dadurch ist eine wirksame Fläche
bestimmt, die senkrecht zu einer Achse 36 des Steuerventilkörpers 26 orientiert
ist.
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Über
diese wirksame Fläche ergibt sich eine hydraulische Kraft
durch den Niederdruck auf den Steuerventilkörper 26.
Diese hydraulische Kraft wird gerade durch die auf die Stirnfläche 27 wirkende
hydraulische Kraft auf Grund des Niederdruckes im Niederdruckraum 28 kompensiert.
Dies ist auch anhand der 3 in weiterem Detail beschrieben.
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Der
Steuerventilkörper 26 weist eine Stufe 40 auf,
die an dem Führungsbolzen 29 vorgesehen ist. Ferner
weist der Steuerventilkörper 26 eine Steuerstufe 41 auf,
die der Stufe 40 zugewandt ist. Zwischen den Stufen 40, 41 ist
ein mittlerer Abschnitt 42 des Steuerventilkörpers 26 mit
einem verringerten Durchmesser gegenüber einem Durchmesser
des Führungsbolzens 29 ausgestaltet. Für
diese Ausgestaltung weist der Steuerventilkörper 26 zwischen der
Stufe 40 und der Steuerstufe 41 an dem mittleren Abschnitt 42 eine
ringförmige Ausnehmung 43 auf. Durch die ringförmige
Ausnehmung 43 ist gegenüber der Führungsbohrung 30 ein
Ringspalt 44 vorgegeben. Der Bypasskanal 21, der
einerseits von dem Hochdruckzulauf 8 abzweigt, mündet
andererseits in den Ringspalt 44.
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Zwischen
der Steuerstufe 41 und einer an dem Gehäuseteil 31 ausgebildeten
Sitzfläche 45 ist ein zweiter Sitz 46 gebildet,
wie es auch anhand der 4 in weiterem Detail beschrieben
ist.
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3 zeigt
eine auszugsweise Darstellung des Steuerventils 15 mit
dem Steuerventilkörper 26 zur weiteren Erläuterung
der Erfindung. Der Führungsbolzen 29 des Steuerventilkörpers 26 weist
einen Durchmesser DF auf. Dieser Durchmesser
DF ist dabei gleich einem Durchmesser der
Führungsbohrung 30 in dem Gehäuseteil 31.
Auf die Stirnfläche 27 des Führungsbolzens 29 des
Steuerventilkörpers 26 wirkt der Niederdruck PL des Brennstoffrücklaufs 16 im
Niederdruckraum 28. Die wirksame Fläche, auf die
der Niederdruck PL bezüglich des
Steuerventilkörpers 26 einwirkt, ergibt sich dabei
aus dem Durchmesser DF des Steuerventilkörpers 26 im
Bereich des Führungsbolzens 29.
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In
der 3 ist eine Stellung des Steuerventilkörpers 26 gezeigt,
in der ein Dichtsitz zwischen der Steuerkante 33 und der
Drosselplatte 11 am ersten Sitz 34 geschlossen
ist. Daher befindet sich in der Ausnehmung 35 unter Niederdruck
PL des Brennstoffrücklaufs 16 stehender
Brennstoff. Durch die Steuerkante 33 ist dabei die wirksame
Fläche vorgegeben, über die der Niederdruck PL auf den Steuerventilkörper 26 einwirkt.
In diesem Ausführungsbeispiel ergibt sich die wirksame
Fläche aus dem Durchmesser DS1 der
Steuerkante 33 des ersten Sitzes 34.
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Der
zweite Sitz 46 ist geöffnet, so dass im Übrigen
Hochdruck auf den Steuerventilkörper 26 aus dem
Ventilraum 32 einwirkt. Eine resultierende Kraft FS1 auf den Steuerventilkörper 26 ergibt
sich aus dem Hochdruck PCR im Ventilraum 32,
wenn der Durchmesser DF des Führungsbolzens 29 des
Steuerventilkörpers 26 unterschiedlich ist zu
dem Durchmesser DS1 der Steuerkante 33 des
Steuerventilkörpers 26 im ersten Sitz 34.
Die resultierende Kraft FS1 ergibt sich
als Produkt mit einem Faktor, der gleich einem Viertel der Ludolfschen
Zahl Π ist, einem weiteren Faktor, der gleich dem Druck
PCR im Ventilraum 32 (oder dem
Druck im Common-Rail 2) ist, und einem weiteren Faktor,
der eine Differenz ist mit einem Minuend, der gleich dem Quadrat
des Durchmessers DS1 des ersten Sitzes 34 ist,
und einem Subtrahend, der gleich dem Quadrat des Durchmessers DF des Führungsbolzens 29 des
Steuerventilkörpers 26 ist:
siehe Formel
(1).
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Für
die Kraft FS1 auf den Steuerventilkörper 26 ergeben
sich somit drei verschiedene Fälle.
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Erstens
kann der Durchmesser DS1 größer sein
als der Durchmesser DF. In diesem Fall saugt sich
der Steuerventilkörper 26 gewissermaßen
am ersten Sitz 34 fest. Dadurch ergibt sich eine hydraulische
Haltekraft oder Schließkraft. Zur Betätigung, das
heißt zum Öffnen des ersten Sitzes 34,
ist daher eine Stellkraft erforderlich, die neben der hydraulischen
Kraft gegebenenfalls die Kraft der Ventilfeder 20 berücksichtigt.
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Zweitens
kann Durchmesser DS1 gleich dem Durchmesser
DF sein. In diesem Fall ist ein hydraulischer
Ausgleich bezüglich des Steuerventilkörpers 26 geschaffen.
Die Stellkraft des beispielsweise als Magnetaktor 19 ausgestalteten
Aktors 19 muss dann gegebenenfalls die Kraft der Ventilfeder 20 überwinden.
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Drittens
kann der Durchmesser DS1 kleiner sein als
der Durchmesser D. In diesem Fall ergibt sich eine hydraulische Öffnungskraft,
die den Steuerventilkörper 26 aus dem ersten Sitz 34 hebt.
Um das Steuerventil 15 in der ersten Schaltstellung 15A,
das heißt bei geschlossenem ersten Sitz 34, zu
halten, ist daher eine Stellkraft des Magnetaktors 19 erforderlich,
die gegebenenfalls zusätzlich die Kraft der Ventilfeder 20 überwinden
muss. Allerdings ist auch eine Unterstützung durch die
Ventilfeder 20 möglich, wie es in der 2 veranschaulicht
ist.
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4 zeigt
das Steuerventil 15 mit dem Steuerventilkörper 26 in
einer der 3 entsprechenden Darstellung,
wobei der Steuerventilkörper 26 in einer Position
dargestellt ist, in der die Verbindung des Ventilraums 32 mit
dem Hochdruckzulauf 8 über den Bypasskanal 21 gesperrt
ist. Dabei ist der zweite Sitz 46 geschlossen. In diesem
Fall ist die Verbindung des Ventilraums 32 mit dem Brennstoffrücklauf 16 geöffnet,
das heißt, der erste Sitz 35 ist geöffnet.
Somit ist der Druck im Ventilraum 32 abgesenkt, gegebenenfalls
bis auf den Niederdruck PL. Allerdings ist
der erste Sitz 34 geschlossen, so dass sich in dem gegenüber
dem Ventilraum 32 nun abgetrennten Ringspalt 44 unter
hohem Druck PCR stehender Brennstoff befindet.
In Abhängigkeit von der Ausgestaltung des zweiten Sitzes 46 kann
sich eine verschwindende hydraulische Kraft FS2 oder
eine nicht verschwindende hydraulische Kraft FS2 auf
den Steuerventilkörper 26 ergeben. Dies hängt
davon ab, ob die wirksame Fläche, über die der
Hochdruck PCR auf die Stufe 40 einwirkt,
unterschiedlich ist zu der wirksamen Fläche, auf die der
Hochdruck PCR im Bereich der Steuerstufe 41 wirksam
ist.
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In
diesem Ausführungsbeispiel ist die Führungsbohrung 29 im
Bereich des zweiten Sitzes 46 etwas zurückgesetzt,
wie es durch eine Anschrägung 47 veranschaulicht
ist. Dadurch ergibt sich gegenüber dem Durchmesser DF der Führungsbohrung im Bereich
der Stufe 40 ein größerer Durchmesser
DS2 des zweiten Sitzes 46, an dem
die Steuerstufe 41 mit dem Gehäuseteil 31 zu
einem Dichtsitz zusammenwirkt.
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Die
resultierende hydraulische Kraft FS2 auf den
Steuerventilkörper 26 ergibt sich als Produkt
mit einem Faktor, der gleich einem Viertel der Ludolfschen Zahl Π ist,
einem weiteren Faktor, der gleich dem Hochdruck PCR im
Ringspalt 44 ist, und einem weiteren Faktor, der eine Differenz
ist mit einem Minuend, der gleich dem Quadrat des Durchmessers DS2 des zweiten Sitzes 46 ist, und
einem Subtrahend, der gleich dem Durchmesser DF des
Führungsbolzens 29 des Steuerventilkörpers 26 ist:
siehe
Formel (2).
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Somit
ergeben sich zwei Fälle für die wirksame hydraulische
Kraft FS2 auf den Steuerventilkörper 26.
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Erstens
kann der Durchmesser DS2 größer sein
als der Durchmesser DE. In diesem Fall drückt der
Druck PCR des Common-Rails 2 den
Ventilkörper 26 aus dem zweiten Sitz 46.
Somit ist eine Kraft zum Halten des Steuerventils 15 in
der zweiten Schaltstellung 15B erforderlich. Diese Kraft
kann von der Ventilfeder 20 und/oder dem Magnetaktor 19 aufgebracht werden.
In dem in der 1 dargestellten Ausführungsbeispiel
muss der Magnetaktor 19 sowohl die hydraulische Kraft FS2 als auch die Kraft der Ventilfeder 20 überwinden,
um das Steuerventil 15 in der zweiten Schaltstellung 15B zu
halten.
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Zweitens
kann der Durchmesser DS2 gleich dem Durchmesser
DF sein. In diesem Fall verschwindet die
resultierende hydraulische Kraft FS2 auf
den Steuerventilkörper 26. Das Steuerventil 15 mit
dem Steuerventilkörper 26 ist dann hydraulisch
kraftausgeglichen. Bei dem in der 2 dargestellten
Ausführungsbeispiel muss der Magnetaktor 19 zum
Halten des Steuerventils 15 in der zweiten Schaltstellung 15B dann
die Kraft der Ventilfeder 20 überwinden.
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Der
Fall, dass der Durchmesser S2 kleiner ist als
der Durchmesser DF ist bei den anhand der 3 und 4 beschriebenen
Ausgestaltungen konstruktiv nicht umsetzbar, um eine Montage des
Steuerventilkörpers 26 in der Führungsbohrung 29 zu
ermöglichen.
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5 zeigt
ein Diagramm zur Veranschaulichung der Stellkraft FS,
die von dem Magnetaktor 19 aufzubringen ist. Hierbei ist
in der 5 ein Fall dargestellt, in dem der Magnetaktor 19 gegen
die Kraft FV der Ventilfeder 20 arbeitet.
Hierbei ist auf der Abszisse ein Hub H des Steuerventilkörpers 26 angetragen.
Hierbei ist mit S1 die erste Schaltstellung 15A gekennzeichnet
und mit S2 die zweite Schaltstellung 15B.
An der Ordinate ist die Kraft FS des Magnetaktors 19,
das heißt die Stellkraft, angetragen. Die Kurve 50 veranschaulicht
den Kraftverlauf im Bereich des ersten Sitzes 34 beim Öffnen
des ersten Sitzes 34 für den Fall, dass der Durchmesser
DS1 größer ist als der
Durchmesser DF. Die Kurve 51 veranschaulicht
hingegen einen Fall, in dem der Magnetaktor 19 den ersten
Sitz 34 öffnet, wenn der Durchmesser DS1 kleiner ist als der Durchmesser DF. Die Kurve 52 gibt den Fall an,
in dem der Durchmesser D1 gleich dem Durchmesser
DF ist.
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Die
Kurve 53 veranschaulicht den Fall zum Öffnen des
zweiten Sitzes 46 beziehungsweise zum Geschlossenhalten
des zweiten Sitzes 46, wenn der Durchmesser DS2 größer
ist als der Durchmesser D. Hierbei muss der Magnetaktor 19 sowohl
die Kraft FV der Ventilfeder 20 als
auch die in Öffnungsrichtung wirkende hydraulische Kraft überwinden.
Die Kurve 54 veranschaulicht den Fall, in dem der Durchmesser DS2 gleich dem Durchmesser DF ist.
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Durch
konstruktive Maßnahmen können ohne weiteres auch
Kurven in den Bereichen 56 beziehungsweise 57 realisiert
werden, um eine Betätigung mittels geeigneter Stellkräfte
zu realisieren.
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Die
Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele
beschränkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10353169
A1 [0002, 0004]